超材料：顛覆式創新的物質基礎

□文/ 馮 云 杭州市科技信息研究院

近年來，超材料技術憑借其優異的產品特性以及革命性的發展前景，已成為全球最熱門、最受矚目的前沿高技術之一。

超材料的定義

“超材料（Metamaterial）”是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，它可以突破傳統的材料設計思想，直接通過設計材料物理尺度上的有序結構來獲得等效的表觀性能。這些性能往往是傳統材料望塵莫及的，如左手特性、逆Doppler 效應、逆Snell效應、逆Cherenkov效應、完美透鏡效應等。

超材料是跨學科研究，涉及到電氣工程、電磁學、經典光學、固態物理、微波和天線工程、光電子學、材料科學、納米科學和半導體工程等領域。與常規材料相比，超材料主要有3 個特征：具有新奇的人工結構；具有超常規的物理性質；采用逆向設計思路，能“按需定制”。

典型的超材料有“左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水”等。其中，光子晶體、左手材料、隱身衣等超材料研究成果被美國《科學》雜志先后于2000 年、2003 年、2006 年選為年度10 項重大進展之一。《Materials Today》雜志在2008年將超材料評為材料科學50年中的10項重要突破之一。2010 年，《科學》雜志又將超材料列入本世紀前十年的10項重大突破之一。

超材料的若干種類

★仿生塑料

伊利諾伊大學的Scott White 研發出了一種具備自我修復能力的仿生塑料。這種聚合物內嵌有一種由液體構成的“血管系統”，當出現破損時，液體就可像血液一樣滲出并結塊。相比其他那些只能修復微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復最大4毫米寬的裂縫。

★熱電材料

一家名為Alphabet Energy 的公司開發出了一種熱電發電機，它可被直接插入普通發電機的排氣管，把廢熱轉換成可用的電力。這種發電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據稱可達到5%—10%的能效。科學家們已經在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，是一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經開始了小規模的應用，比如在太空飛船上。方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。

★鈣鈦礦

除晶體硅外，鈣鈦礦也可用來制作太陽能電池。在2009 年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備3.8%的太陽能轉化率。到了2014 年，這一數字已經提升到了19.3%。相比傳統晶體硅電池超過20%的能效，科學家認為鈣鈦礦的性能依然有提升的可能。鈣鈦礦是由特定晶體結構組成的一種材料類別，它可以包含任意數量的元素，用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，也無需在無塵房間中精心組裝。

★氣凝膠

氣凝膠也稱空氣膠、固態煙霧或是藍煙，是一種納米級別的多孔超級隔熱材料，可由任意數量的物質所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯，它的結構賦予其超高的強韌性，是航天、軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領域傳統保溫材料的革命性替代產品，稱之為“改變世界的神奇材料”，被列入國家戰略性新興產業。美國、德國、法國、日本等工業先進的國家均投入巨資進行研發。

氣凝膠國內研發及產能主要集中在浙江大學、中南大學、同濟大學、國防科技大學、紹興納諾高科股份有限公司、廣東埃力生高新科技有限公司等。廣東埃力生公司氣凝膠材料在2016 年的產能就達到了2 億元，是國內第一家、世界上第二家能規模化生產氣凝膠材料的企業，填補了中國自主產業生產氣凝膠材料的空白，打破中國氣凝膠材料被國際壟斷供應的局面。

★Stanene

和石墨烯一樣，Stanene 是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，它具備了石墨烯所無法實現的特性：100%的導電率。2013 年，斯坦福大學張首晟教授首次進行了Stanene 理論化研究。根據他們對這類材料電子屬性預測的模型，Stanene 是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導體，而內部是絕緣體，能在室溫下以零阻力導電。

★光操縱材料

光操縱超材料的納米結構能夠實現以特定的方式對光線進行散射，它或許可以讓物體“隱形”。根據制作方式和材料的不同，這種超材料還能散射微波、無線電波和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

超材料研究和應用案例

目前超材料可以用在電磁、光學、聲學、熱學等領域，應用行業包括通信、醫療、航空航天、軍工、集成電路板（IC）等行業，未來還有很大的發展空間。

從電磁也就是微結構的角度對超材料進行理解，再從電磁波進行推廣，可以衍生出編碼超材料、數字超材料和可編程超材料。

從航天工程實踐出發，主要是有序微結構的研究，包括作為填充材料的光晶體、具有激光防護作用的智能熱控材料等。光晶體在紅外波段同時具有高反射率和高輻射率，可作為高超聲速飛行器的防熱材料。

超材料在通信、隱身領域也有很多重要的工程應用，主要包括天線、隱身裝備等。

以陶瓷基為基礎的超材料目前也有了一定的研究進展，其發展方向主要是提高材料的強韌性，實現納米吸波界面的效應，形成抗氧化、強韌、寬頻吸波型陶瓷基復合材料。

從宏觀角度來說，影響超材料領域發展主要有兩方面的技術——計算技術和微加工技術。計算技術是指從需求和用途出發，逆向把超材料的內部結構設計、計算出來的過程；而微納加工技術則是把計算產物實體化的技術。

近年來，一系列具有超常性質和奇異功能的新型超材料相繼問世。

★“隱身斗篷”

與傳統隱身技術相比，超材料隱身靠的是電磁波導引，而不是吸收電磁波，因此目標沒有影子。超材料隱身是國防軍工領域的一項顛覆性技術，得到了各國的廣泛重視。目前，超材料隱身斗篷技術已開始在軍事裝備中獲得應用。

★新型無源電子元器件

電磁介質是無源電子元器件的材料基礎和技術核心。超材料可以用于研發具有負值、超低或超高介電常數或磁導率的人工電磁介質，為一些具有變革性的新型無源電子元器件的研發提供基礎。天線是超材料應用得較為成功的一類器件。利用超材料超常的電磁性質和高度可設計的特點，人們成功地研發出多種具有高性能、能滿足各種特殊要求的天線，實現了天線的小型化、高效化、高增益、共型化、高信號選擇性等特性。

★超材料減震技術

目前常用超材料能夠實現減震降噪的方案很多，其中一個方案是利用與“隱身斗篷”類似的原理，將受保護的物體利用經特殊設計的力學超材料包覆起來，使機械波繞開物體。這一方案被用于大型建筑及城市的地震防護。此外，利用具有負泊松比（受到拉力時發生側向膨脹）超材料和負剛度超材料的組合，科學家成功地研制出了能夠抑制不同頻率振動的新型防震結構，可望應用于運送早產兒等脆弱對象的車輛上。

值得關注的超材料顛覆性技術

★超材料透鏡

超材料透鏡在生物、材料、微電子、光學工程等領域都有迫切的應用需求。它可以在自然環境中進行直接觀察病毒、細胞、DNA 分子或者各種材料的顯微結構。同時，基于超材料的完美透鏡可實現亞波長尺度的光刻，將使微電子加工技術水平大幅度提高，從而進一步延續集成電路的摩爾定律。

★全光信息元器件

全光信息元器件可以利用介質超材料中人工原子可承載多個諧振模態的特性，通過兩束電磁波導致的電磁諧振模態發生相互耦合，改變通過材料的信號波的傳播特性，實現全光調制。由于這種新機制無需通過非線性光學過程參與，所獲得的全光開關器件將具有低開關閾值和極高的開關速度，從根本上解決制約光開關技術的兩大核心難題，突破全光信息技術的瓶頸。

超材料發展前景

在各國的大力支持下，全球超材料產業發展呈現逐年遞增態勢，產值規模從2014 年的5.4 億美元發展到2019 年的12.8 億美元，年均復合增長率約為18.8%，預計在2024年之前仍將保持高速增長態勢，復合增長率有望實現20%。另據麥姆斯咨詢發布的“超材料市場預測”報告認為，到2030 年，超材料市場規模將飆升至約107億美元（如圖1）。

圖1 超材料市場預測

受益于早期的科研基礎和政府支持，美國是目前全球最大的超材料市場。此外，超材料在中國、巴西等新興經濟體也有巨大的市場潛力。

麥姆斯咨詢預測，超材料的性能優勢將在通信天線、雷達以及激光雷達等傳感器中證明其獨特價值，5G 無線網絡需求將在未來五年左右推動超材料市場的快速增長，之后隨著自動駕駛技術的成熟，超材料的應用基礎將逐步擴大。

2021 年7 月，中國移動攜手東南大學電磁空間科學與技術研究院率先在5G線網完成智能超表面技術實驗。結果表明，智能超表面可根據用戶分布，靈活地調整無線環境中的信號波束，顯著改善現網弱覆蓋區域的信號強度、網絡容量和用戶速率，預示了信息超材料技術在未來無線通信中的廣泛應用前景。

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規模的產業化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現因技術的進一步突破取得更多成果的領域。

國外超材料研究現狀

美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一；美國國防部先進研究項目局把超材料定義為“強力推進增長領域”；美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關鍵領域”；美國最大的6 家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯合基金資助這方面的研究。歐盟組織了50 多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額經費支持。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計劃，至少支持兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目約為30 億日元（約合1.5億元），同時將超材料列為下一代隱形戰斗機的核心關鍵技術。

在超材料專利方面，美國超材料研究起步最早，1972 年，美國最先申請了頻率選擇表面超材料技術專利。目前，美國擁有超材料專利的研究機構主要為麻省理工學院、惠普公司、加利福尼亞大學、康寧公司、SEARETE 公司、雷錫恩公司等。日本對于超材料的研究也較早，專利最早申請于1980 年。目前，日本超材料專利主要集中于三菱公司、佳能公司、富士公司、日立公司、理光株式會社、奧林巴斯、住友電子、尼康公司、DOKURITS 公司、索尼公司等。韓國自1993 年開始申請超材料技術專利，在2010 年達到頂峰，三星公司、LG 電子擁有著絕大部分超材料專利。

在超材料應用方面，有關國家和機構近年來啟動了多項研究計劃。如美國國防部高級研究計劃局國防科學辦公室實施的負折射率材料研究計劃；美國杜克大學開展的高增益天線超材料透鏡研究、可升級和可重構的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業獲得小企業創新計劃和企業技術轉移資助計劃資助，對超材料技術進行了大量研究和產品轉化。目前，超材料領域已初步形成的產品包括超材料智能蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。

全球超材料主要應用于軍事領域，超材料在武器裝備隱身中的應用最受關注。美國對超材料隱身技術領域的發展不但提供了政策上的支持，還與國內民企、科研機構等展開合作，甚至直接提供資金資助企業或者機構的隱身超材料的研發活動，是目前世界上超材料隱身技術研究與發展應用最大的國家。其次是日本以及歐洲地區，日本超材料隱身技術僅次于美國；歐洲地區則是以俄羅斯、英國和德國等軍事裝備技術發展較為先進的地區在超材料隱身技術方面具有較大的發展。

國內超材料研究現狀

我國超材料技術研發起步較晚，但我國政府對超材料技術高度關注，分別在863 計劃、973 計劃、國家自然科學基金等科技計劃中予以立項支持。中國超材料產業近年來發展迅猛，由“實驗室研究”成功推進至“產業化應用”，超材料廣泛應用于多個尖端裝備領域。我國在電磁黑洞、超材料隱身技術介質基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，已取得原創性成果，并在世界超材料產業化競爭中占到先機。同時，自2013 年以來，中國持續推進超材料行業標準化工作，目前已成行業規則制定者，在超材料知識產權以及超材料產業體系建立上領先其他國家。2014 年，中國科學院院士、東南大學毫米波國家重點實驗室主任崔鐵軍團隊在國際上率先提出數字超材料的概念，并展示了第一塊現場可編程超材料，借助FPGA輸出序列調整超表面單元內部二極管開關的通斷，在物理空間中實現了對電磁波的直接調控，開創了數字可編程超材料研究的先河，并在國際上引發大量關注。這種超材料被命名為“信息超材料”，并以其靈活性、低成本和高效率，成為當前6G研究的熱點。

近年來中國在基礎研究、材料研究、技術應用等方面均處于國際市場領先地位，專利申請數量始終保持增長趨勢，截至2019年底已經接近3000件，在國際市場上具有較強的話語權。從專利方面來看，我國的超材料研究企業呈現出一家獨大的局面。“深圳光啟”超材料技術與產品實力雄厚，而其他企業的超材料技術處于初創時期（如表1）。此外，我國的研究機構專利數量總體多于企業，有一定的科技成果轉化潛力。

表1 截至2018年底中國超材料相關技術專利申請人TOP10（單位：件，%）

深圳光啟研究院是一家以超材料技術賦能行業為內核的企業，在國際上率先推進了超材料產業化，研發出超材料平板式衛星天線，在22 個省市進行了測試，并在北京、天津等地得到了實際應用。2011 年，深圳光啟高等理工研究院揭牌成立了“超材料技術生物醫療應用工程實驗室”，對超材料在生物醫療領域的應用展開探索。以超材料技術為基礎，目前光啟集團尖端裝備業務已形成超材料功能結構件、超材料電磁罩、超材料天線及優化組件3 大產品體系，相關產品已在我國多型軍用飛機、海軍裝備、導彈、反隱身雷達系統等核心高端裝備上逐步得到應用。光啟超材料還針對5G 通信行業推出人工智能覆蓋網絡，并與華為、中國移動、中國聯通、中國電信等伙伴密切合作；針對公共安防領域的行業訴求，推出了光啟人工智能警用頭盔，賦能城市管理和公共安保升級；還研發出突破了國外禁運封鎖的高性能電磁材料“白起”系列。

浙江大學在光波和超低頻超材料領域取得了一系列有影響的成果，研發出了基于慢波設計的超薄、寬吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隱身、磁共振成像和靜磁場增強方面的應用。

東南大學研究了均勻和非均勻超材料對電磁波的調控作用，提出了電磁黑洞和新型超材料隱身器件，研發出了雷達幻覺器件、遠場超分辨率成像透鏡、新型天線罩、極化轉換器等新型超材料器件。

清華大學研究介質基和本征型超材料，提出了通過超材料與自然材料融合構造新型功能材料思想，研發出了基于鐵磁共振、極性晶格共振、稀土離子電磁偶極躍遷以及Mie諧振的超常電磁介質超材料。■